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106 台灣大學微積分(B) 第 10 題

考題 / 轉學考微積分 / 台灣大學 / 微積分B

106學年度 · 106台大微積分B · 第 10 題

題目

Problem

Part I Multiple Choice

  1. Consider the spherical coordinates system x=ρsin⁡ϕcos⁡θx=\rho\sin\phi\cos\theta, y=ρsin⁡ϕsin⁡θy=\rho\sin\phi\sin\theta, and z=ρcos⁡ϕz=\rho\cos\phi. The volume element dV=dx dy dz\mathrm{d}V=\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y\,\mathrm{d}z can be changed as

(A) ρsin⁡ϕ dρ dθ dϕ\rho\sin\phi\,\mathrm{d}\rho\,\mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}\phi.

(B) ρcos⁡ϕ dρ dθ dϕ\rho\cos\phi\,\mathrm{d}\rho\,\mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}\phi.

(C) ρ2sin⁡ϕ dρ dθ dϕ\rho^2\sin\phi\,\mathrm{d}\rho\,\mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}\phi.

(D) ρ2cos⁡ϕ dρ dθ dϕ\rho^2\cos\phi\,\mathrm{d}\rho\,\mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}\phi.

解答

解法一

思路

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  • 體積元素由座標變換的 Jacobian 行列式決定。
  • 直接引用球座標的標準 Jacobian,並對照選項即可。

答題過程

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對

x=ρsin⁡ϕcos⁡θ,y=ρsin⁡ϕsin⁡θ,z=ρcos⁡ϕ,x=\rho\sin\phi\cos\theta, \quad y=\rho\sin\phi\sin\theta, \quad z=\rho\cos\phi,

其 Jacobian 的絕對值為

∣∂(x,y,z)∂(ρ,θ,ϕ)∣=ρ2sin⁡ϕ.\left|\frac{\partial(x,y,z)}{\partial(\rho,\theta,\phi)}\right|=\rho^2\sin\phi.

因此

dV=ρ2sin⁡ϕ dρ dθ dϕ,\mathrm{d}V=\rho^2\sin\phi\,\mathrm{d}\rho\,\mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}\phi,

故正確選項為 C\boxed{\text{C}}。